蟬花絮凝劑的固定化培養(yǎng)及其對(duì)洗煤廢水絮凝率影響研究

李婧， 孟凡麗， 王程程， 肖勁松， 孫嘉龍

（1.貴州省環(huán)境科學(xué)研究設(shè)計(jì)院， 貴陽(yáng) 550081； 2.貴州省水污染控制與資源化技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550081； 3.貴州理工學(xué)院 資源與環(huán)境工程學(xué)院， 貴陽(yáng) 550003）

洗煤廢水是濕法選煤所產(chǎn)生的工業(yè)尾水， 洗煤廢水中懸浮物濃度和COD 濃度都很高， 不僅具有懸濁液的性質(zhì)， 細(xì)煤泥顆粒、 粘土顆粒等粒度非常小， 顆粒表面帶有較強(qiáng)的負(fù)電荷， 而且往往帶有膠體的特性， 久置不沉， 難以處理［1-2］。 侯志祥［3］采用微生物絮凝劑處理洗煤廢水， 取得了較好的絮凝效果。 貴州大學(xué)真菌資源研究所篩選出了一種蟬花菌株GZUIFR-6722［4］， 經(jīng)提取得到的蟬花絮凝劑GZUIFR-6722 粗品對(duì)洗煤廢水具有較好的絮凝效果［5-6］， 但蟬花絮凝劑GZUIFR-6722 同樣具有微生物絮凝劑產(chǎn)量低、 絮凝性質(zhì)不穩(wěn)定的問(wèn)題［7］。 固定化細(xì)胞技術(shù)是一種高效的發(fā)酵技術(shù)， 近年來(lái)廣泛應(yīng)于發(fā)酵［8-10］， 有研究表明固定化細(xì)胞技術(shù)在提高生物絮凝劑生產(chǎn)能力、 降低絮凝劑成本方面有顯著優(yōu)勢(shì)［11-12］， 成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)， 吸附式固定化技術(shù)已成為熱門的固定化培養(yǎng)細(xì)胞技術(shù)［13-15］。

本研究以洗煤廢水為處理對(duì)象， 采用吸附固定方法制備固定化微生物絮凝劑， 以探究固定化技術(shù)對(duì)微生物絮凝劑產(chǎn)量和絮凝效率的影響， 為提高蟬花絮凝劑對(duì)洗煤廢水的處理效率提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用洗煤廢水樣品取自貴州省某洗煤廠， 該洗煤廠采用濕法重力浮選工藝， 洗煤水為廠區(qū)內(nèi)循環(huán)水， 濕法浮選后的水經(jīng)過(guò)廠區(qū)內(nèi)自建的水處理設(shè)備處理后（絮凝劑為PAM）回用， 產(chǎn)生的洗煤廢水不外排。 洗煤廢水的水質(zhì)分析結(jié)果如表1 所示。 該洗煤廢水呈弱酸性， 水中含有大量的懸浮物， 且COD 和氨氮含量也較高。

表1 某洗煤廠洗煤廢水水質(zhì)Tab.1 Quality of coal washing wastewater from a coal wahsing plant

1.2 試驗(yàn)材料

（1） 固定化載體。 固定化細(xì)胞技術(shù)所采用載體的物理化學(xué)性質(zhì)直接影響所固定細(xì)胞的生物活性和體系傳質(zhì)性能。 理想的載體材料應(yīng)具有對(duì)微生物無(wú)毒性、 傳質(zhì)性能好、 性質(zhì)穩(wěn)定、 壽命長(zhǎng)、 價(jià)格低廉等特性［16-17］。 洗煤廢水絮凝沉淀后的固渣主要成分為煤泥， 絮凝沉降的煤泥需實(shí)現(xiàn)資源化利用， 因此固定化載體需可燃； 由于吸附固定化方法需將固定化載體與蟬花一起培養(yǎng)產(chǎn)絮凝劑， 載體應(yīng)質(zhì)量較小， 以便能與微生物充分接觸且不破壞細(xì)胞和菌絲。 綜上， 選擇了硅藻土、 活性炭、 絲瓜瓤、 秸稈、 海綿、 木屑共6 種固定化載體。

將硅藻土、 活性炭、 絲瓜瓤、 秸稈、 海綿、 木屑分別洗凈， 用5%NaOH 溶液煮沸30 min， 然后用蒸餾水洗至中性， 用5%HCl 浸泡30 min， 然后用蒸餾水洗至中性， 1×105Pa 滅菌30 min［18］。

（2） 蟬花絮凝劑菌株。 保存于貴州大學(xué)真菌資源研究所的穩(wěn)定高產(chǎn)絮凝劑菌株GZUIFR-6722。

1.3 試驗(yàn)方法

（1） 固定化載體培養(yǎng)蟬花絮凝劑絮凝效果試驗(yàn)。 將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的固定化載體（硅藻土、 活性炭、絲瓜瓤、 秸稈、 海綿、 木屑）加入到裝有滅菌后培養(yǎng)基（100 mL／250 mL）的三角瓶中， 接種孢子濃度均為1 × 107個(gè)／mL［蟬花菌株GUZIFR-6722］， 于25 ℃、 140 r／min 振蕩培養(yǎng)7 d 后測(cè)定發(fā)酵上清液的絮凝率， 探究固定化培養(yǎng)微生物絮凝劑制備過(guò)程中不同載體對(duì)絮凝活性的影響。

（2） 載體-蟬花復(fù)合絮凝劑絮凝效果試驗(yàn)。 將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的固定化載體（硅藻土、 活性炭、 絲瓜瓤、 秸稈、 海綿、 木屑）加入到已培養(yǎng)完成的蟬花絮凝劑中（下文簡(jiǎn)稱載體-蟬花復(fù)合絮凝劑）， 140 r／min振蕩1 h， 使其充分混合， 制備載體-蟬花復(fù)合絮凝劑， 測(cè)定其絮凝率， 探究固定化載體復(fù)合微生物絮凝劑制備過(guò)程中不同載體對(duì)絮凝活性的影響。

（3） 微生物絮凝劑對(duì)洗煤廢水水質(zhì)的影響試驗(yàn)。 在上述試驗(yàn)基礎(chǔ)上， 優(yōu)選出秸稈培養(yǎng)蟬花絮凝劑和秸稈-蟬花復(fù)合絮凝劑2 種絮凝劑材料對(duì)洗煤廢水進(jìn)行絮凝試驗(yàn)， 分別在絮凝10、 30、 60、 180 min 時(shí)， 取30 mL 處理后的洗煤廢水， 分析其pH值、 電導(dǎo)率、 懸浮物、 COD 和氨氮， 探究不同絮凝劑材料對(duì)洗煤廢水性質(zhì)的影響。

1.4 分析方法

pH 值、 電導(dǎo)率、 懸浮物、 COD、 氨氮均按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定［19-23］。

取49 mL 洗煤廢水加入50 mL 比色管中， 再加入1 mL 蟬花絮凝劑上清液， 比色管上下快速顛倒10 次混勻， 靜置5 min。 取液面1 cm 以下液體在其最大吸收波長(zhǎng)處測(cè)定吸光值， 確定蟬花絮凝劑處理洗煤廢水的絮凝效果， 絮凝率E（%）計(jì)算公式［24］如下：

式中： A 為空白對(duì)照樣的OD660； B 為蟬花絮凝劑處理后洗煤廢水的OD660。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同固定化載體培養(yǎng)蟬花絮凝劑對(duì)洗煤廢水絮凝效果

通過(guò)固定化微生物技術(shù)培養(yǎng)出6 種蟬花絮凝劑， 不同固定化載體培養(yǎng)蟬花絮凝劑對(duì)洗煤廢水絮凝效果見(jiàn)圖1。 由圖1 可知， 不同固定化載體培養(yǎng)出的絮凝劑的絮凝率在4.42%～63.51%之間， 且差異顯著； 總體上看， 固定化微生物技術(shù)培養(yǎng)出的絮凝劑中， 絮凝效果最好的是秸稈培養(yǎng)蟬花絮凝劑，絮凝率達(dá)63.51%±0.27%。 這是因?yàn)榻斩挷牧现懈缓w維素和木質(zhì)素等天然高分子， 分子鏈上分布有大量的羥基、 羧基等活性基團(tuán)， 對(duì)水體中的污染物質(zhì)具有良好的絮凝及絡(luò)合吸附作用［25-26］。 由于微生物具有產(chǎn)絮凝劑不穩(wěn)定的特點(diǎn)， 固定化培養(yǎng)蟬花絮凝劑可以使絮凝劑比表面積增大、 提高絮凝劑的產(chǎn)量及穩(wěn)定性， 后續(xù)研究可以考察更多類型的載體以進(jìn)一步提高其絮凝效果。

圖1 固定化載體培養(yǎng)蟬花絮凝劑對(duì)洗煤廢水絮凝效果Fig.1 Flocculation effects of cicada flocculants cultivated by different immobilized carriers on coal washing wastewater

2.2 不同固定化載體-蟬花復(fù)合絮凝劑對(duì)洗煤廢水的絮凝效果

通過(guò)固定化載體復(fù)合蟬花絮凝劑技術(shù)制備的6種載體-蟬花復(fù)合絮凝劑對(duì)洗煤廢水絮凝效果如圖2。 由圖2 可知， 不同固定化載體-蟬花復(fù)合絮凝劑處理洗煤廢水的絮凝效果差異顯著， 固定化載體-蟬花復(fù)合絮凝劑中， 總體上絮凝效果最好的是秸稈-蟬花復(fù)合絮凝劑， 絮凝率達(dá)77.27%±0.03%。 楊曉霞等［27］的研究也表明， 以羧甲基化改性秸稈與無(wú)機(jī)鋁鹽復(fù)合， 制得一種改性秸稈-鋁鹽復(fù)合絮凝劑材料， 該復(fù)合絮凝劑在低投加量條件下， 對(duì)COD去除率達(dá)到65%， 可滿足污水初級(jí)處理的要求。

圖2 固定化載體-蟬花復(fù)合絮凝劑對(duì)洗煤廢水絮凝效果Fig.2 Flocculation effects of immobilized carriers-cicada composite flocculants on coal washing wastewater

2.3 不同微生物絮凝劑對(duì)洗煤廢水的絮凝效果

基于上述試驗(yàn)結(jié)果， 優(yōu)選出秸稈培養(yǎng)蟬花絮凝劑和秸稈-蟬花復(fù)合絮凝劑2 種絮凝劑進(jìn)行對(duì)比絮凝試驗(yàn)， 結(jié)果如圖3 所示。 由圖3 可知， 不同絮凝劑材料處理洗煤廢水的絮凝效果差異顯著。 固定化微生物與游離微生物相比， 具有易回收、 穩(wěn)定性高、可連續(xù)化、 自動(dòng)化操作等優(yōu)點(diǎn)［28］， 將篩選出來(lái)具有某些特殊功能的高效菌種固定化后， 微生物細(xì)胞不易流失， 并可以根據(jù)具體的處理要求， 控制反應(yīng)器內(nèi)的生物量和傳質(zhì)面， 使得處理效能大大增強(qiáng)［29］。

圖3 不同微生物絮凝劑對(duì)洗煤廢水的絮凝效果Fig.3 Flocculation effect of different microbial flocculants on coal washing wastewater

秸稈-蟬花復(fù)合絮凝劑對(duì)洗煤廢水的絮凝效果隨著絮凝時(shí)間的延長(zhǎng)而增加； 秸稈培養(yǎng)蟬花絮凝劑的絮凝效果在10 ～60 min 內(nèi)隨著絮凝時(shí)間的延長(zhǎng)而增加， 超過(guò)60 min 后絮凝效果有所降低。 這是因?yàn)樾跄龝r(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致原先形成的部分沉降顆粒相互碰撞分解變?yōu)椴怀两殿w粒， 使絮凝效果降低。文獻(xiàn)［30］研究結(jié)果表明， 絮體絮凝分為絮體生長(zhǎng)階段和穩(wěn)定階段， 絮體逐漸聚集為大尺寸絮體的過(guò)程中絮體數(shù)量減小， 導(dǎo)致有效碰撞速率逐漸降低， 絮體生長(zhǎng)速率逐漸減小； 當(dāng)有效碰撞速率等于絮體破碎速率時(shí)， 絮體不再生長(zhǎng)， 進(jìn)入穩(wěn)定階段； 當(dāng)絮凝達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后， 絮體破碎和聚集仍在不斷發(fā)生，此過(guò)程絮體破碎次數(shù)不斷積累。 因此， 在絮凝過(guò)程中應(yīng)注意時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)， 秸稈培養(yǎng)蟬花絮凝劑和秸稈-蟬花復(fù)合絮凝劑的最佳絮凝時(shí)間為60 min。

2.4 微生物絮凝劑處理洗煤廢水后水質(zhì)變化

2.4.1 pH 值變化情況

試驗(yàn)用洗煤廢水呈弱酸性， pH 值在6.73 ～6.77 之間， 采用上述2 種絮凝劑處理洗煤廢水， 考察pH 值的變化情況， 并與對(duì)照組洗煤廢水的pH值變化情況進(jìn)行對(duì)比， 結(jié)果如圖4 所示。

圖4 微生物絮凝劑對(duì)洗煤廢水pH 值的影響Fig.4 Effect of microbial flocculants on pH value of coal washing wastewater

由圖4 可知， 不同微生物絮凝劑材料處理洗煤廢水后的pH 值差異不顯著， 總體上洗煤廢水仍然呈弱酸性。 該絮凝劑多為大分子多糖或蛋白， 使得絮凝劑分子對(duì)pH 值的變化有一定的敏感性， 絮凝過(guò)程中必然伴隨著絮凝劑與絮凝對(duì)象表面電荷的變化， 隨著時(shí)間的延長(zhǎng)， pH 值發(fā)生一些變化， 因此存在著一定差異［31］。

2.4.2 懸浮物濃度變化情況

2 種絮凝劑處理洗煤廢水后懸浮物濃度變化情況如圖5 所示。 由圖5 可知， 隨著靜置時(shí)間的延長(zhǎng)，懸浮物的含量均呈降低趨勢(shì)， 表明微生物絮凝劑對(duì)洗煤廢水中懸浮物具有較好的沉降效果。 試驗(yàn)過(guò)程中可以看出秸稈-蟬花復(fù)合絮凝劑較秸稈培養(yǎng)蟬花絮凝劑的懸浮物沉降速率更快， 絮凝效果更好。

圖5 微生物絮凝劑對(duì)洗煤廢水懸浮物的去除效果Fig.5 Effect of microbial flocculants on SS removal in coal washing wastewater

2.4.3 COD 濃度變化情況

2 種絮凝劑處理洗煤廢水后COD 濃度變化情況如圖6 所示。 由圖6 可知， 微生物絮凝劑對(duì)COD 有明顯的處理效果， 但各個(gè)時(shí)間段內(nèi)不同絮凝劑對(duì)COD 去除效果的規(guī)律性不強(qiáng)。 韓懷芬等［32］的研究表明微生物絮凝劑產(chǎn)生菌的菌種發(fā)酵液對(duì)造紙廢水、 印染廢水的COD 去除率分別達(dá)到43.8%及57.1%， 由于不同微生物絮凝劑絮凝后絮體沉降速率不同， 導(dǎo)致廢水中COD 濃度差異較大。

圖6 微生物絮凝劑對(duì)洗煤廢水COD 的去除效果Fig.6 Effect of microbial flocculant on COD removal in coal washing wastewater

有研究表明， COD 濃度與懸浮物濃度存在著一定的關(guān)系， 懸浮物濃度降低， COD 濃度也降低。 秸稈-蟬花復(fù)合絮凝劑較秸稈培養(yǎng)蟬花絮凝劑的懸浮物沉降速率更快， 因此對(duì)COD 的去除效果也更好。

2.4.4 氨氮濃度變化情況

2 種絮凝劑處理洗煤廢水后氨氮濃度變化情況如圖7 所示。 由圖7 可知， 2 種絮凝劑對(duì)洗煤廢水中氨氮均無(wú)顯著處理效果， 分析認(rèn)為加入的蟬花菌株GZUIFR-6722 產(chǎn)生的絮凝劑主要活性成分是菌株分泌到胞外的多糖類物質(zhì)， 多糖類物質(zhì)占絮凝劑總量的91%， 蛋白質(zhì)占4%， 其他占5%［4］， 并且絮凝劑在培養(yǎng)過(guò)程中加入多種營(yíng)養(yǎng)源， 這些營(yíng)養(yǎng)源的殘留物質(zhì)在與洗煤廢水作用后形成游離氨（NH3）和銨鹽（NH4+）等， 導(dǎo)致體系中氨氮濃度小幅上升。

圖7 不同絮凝劑材料處理洗煤廢水后氨氮變化情況Fig.7 Changes of ammonia nitrogen in coal washing wastewaer treated with different flocculants

3 結(jié)論

（1） 采用固定化微生物技術(shù)培養(yǎng)出的絮凝劑中， 絮凝效果最好的是秸稈培養(yǎng)蟬花絮凝劑， 絮凝率達(dá)63.51% ± 0.27%； 固定化載體復(fù)合制備的秸稈-蟬花復(fù)合絮凝劑絮凝效果最好， 絮凝率達(dá)77.27%±0.03%。

（2） 相同時(shí)間內(nèi)秸稈培養(yǎng)蟬花絮凝和秸稈-蟬花復(fù)合絮凝劑對(duì)洗煤廢水中COD 均有一定的去除效果， 但對(duì)洗煤廢水中氨氮的處理效果不明顯； 不同絮凝劑材料均對(duì)洗煤廢水中懸浮物有一定的去除效果， 但耗時(shí)較長(zhǎng)， 后續(xù)研究應(yīng)在絮凝劑助劑的研發(fā)等方面提高絮凝劑的效率， 同時(shí)可以嘗試不同固定化載體、 采用大容量發(fā)酵培養(yǎng)或流動(dòng)培養(yǎng)等方式， 進(jìn)一步探究固定化微生物技術(shù)在廢水處理領(lǐng)域的應(yīng)用。